对于缸孔上的热喷涂层通过等离子射流进行表面活化的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明大体涉及在热喷保护涂层和目标基底之间达到更好的粘附性，以及特别地涉及在施加保护涂层之前使用空气等离子体喷涂对基底进行预处理。
【背景技术】
[0002]热喷涂技术已经示出是在工件上沉积保护涂层(如热障涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层或类似物)的有效方式。高的沉积速率使得此类涂层方法适合于大规模制造，例如与发动机缸孔和设计来在其中往复运动的活塞相关的生产。保护涂层至基底的粘附性对于确定涂层是否适合特定应用(例如用于内燃发动机缸孔的燃烧室内产生的严苛环境)的非常重要的指标。传统上，涂层至缸孔基底粘附性的改善是通过各种表面活化预处理步骤所实现，包括如使用陶瓷颗粒的喷砂处理、高压水射流喷射以及机械粗化/锁定的方法。虽然对其预期目的是有效的，但它们显著增加了对涂层部件的制造工艺的复杂性和成本。例如，基于机械粗化/锁定的方法涉及高的加工成本;这些成本由于短的工具寿命和大量的善后需求而更甚。类似地，高压水射流喷射方法具有非常高的资金成本，而喷砂处理方法具有砂污染问题，以及(连同上述的机械粗化一起)大量的善后需求。这些善后需求中的一些(以及基底预处理)还会使用挥发性有机物(VOCs)，其使用由于它们潜在的负面环境影响面临越来越严格的审查。也经常使用包括单独的粘结涂层的沉积的其它尝试。由于上述的基底活化预处理，这涉及明显的额外的复杂性以及相关成本。
[0003]热喷涂层的一种尤其有价值的形式是通过等离子喷涂，其中构成大量保护涂层的成分受到惰性气体的离子流的影响。除了高的沉积速率，等离子喷涂是有益的在于气体是化学上惰性的，而目标工件基底可保持相对冷却;这些因素使其可避免对接触的涂层和基底的损害，这是以其它升高温度或化学活化工艺所不能实现的方式。在等离子喷涂中，以围绕子弹形阴极的圆柱状阳极形式的带相反电荷的电极形成在放电端处限定喷嘴的流动路径。直流电(DC)源施加到电极使得当惰性气体引入到在电极之间的环形空间内时，其被电离以形成作为喷射流离开喷嘴的等离子。单独的涂层插入路径(通常以管的形式)将保护涂层材料前驱体(其通常以粉末的形式)注入到在喷嘴内形成的等离子射流。装置(通常称为枪)在电流脉冲引入到阳极和阴极之间时运行，使得其产生通过气体的电弧并穿过这些电极之间的间隙。电弧的形成与气体中从它们的原子剥离并向着阳极加速的电子一致，而原子朝向阴极加速。稳定的电流供给帮助电弧被推向喷嘴中的出口，其反过来又使气体流内的其它原子或分子离子化，其产生在离开枪时能够被引导撞击合适的工件基底的高速等离子体。
[0004]等离子喷涂的甚至更特别形式被认为是等离子体转移导丝电弧(PTWA)热喷涂。不同于基于粉末的给料，PTWA使用固体导丝，其在经受由喷枪产生的等离子体射流时熔化。虽然等离子喷涂大体(特别地，PTWA)已经尤其适于涂覆前述的发动机缸孔，但其还没有用于基底活化以作为改善保护涂层和基底之间通常出现的较弱粘结的方式。相反，传统上诉诸于单独的结合涂层或一种或多种前述的基底活化预处理。需要一种更简单、更廉价的方法，其还能减少负面的环境外部影响。
【发明内容】
[0005]本发明涉及使用由等离子喷涂设备产生的空气等离子射流以在施加保护涂层之前通过活化来预处理基底。以此方式，在使用这种或另外的等离子喷涂设备沉积保护涂层之前通过熔化或溶解来去除、侵蚀掉或分解氧化层。在本文中，术语空气等离子射流(此文中也称为空气等离子体)与传统的等离子喷涂不同在于，其基本不含任何的添加剂，例如常规的保护涂层材料前驱体。根据本发明的方面，活化铝基发动机缸孔基底的表面的方法包括清洁所述表面以去除在其上形成的氧化物的至少一部分；以及操作等离子喷涂装置，使得所产生的空气等离子射流向着所述表面加速，从而分解或去除否则会影响表面的能力的任何残留的氧化物和其它污染物;并且随后应用保护涂层以粘附至彼此。在优选的形式中，暴露至清洁和等离子射流的基底是发动机缸孔。在另外的优选形式中，等离子喷涂装置是预处理等离子喷涂装置，其与用于使随后的保护涂层沉积在发动机缸孔上的等离子喷涂装置是分开的，在这种构型中，预处理等离子喷涂装置被简化。它被简化的一个重要的方法是没有任何保护涂层材料前驱体接收机构，使得其可以否则所要求的更低的功率设置来操作，而在另一种形式中，其能够通过其中已禁用保护涂层材料前驱体接收机构的传统的等离子喷涂设备实现;任一变型均被认为是在本发明的范围内。在另外的优选实施例中，完成基底的活化而没有经受单独的机械活化步骤(如在前面本公开的【背景技术】部分中讨论的那些)。在本发明上下文中，术语“活化”和“预处理”可互换地使用以描述使用空气等离子射流改善目标基底的表面特性的方法，使得随后应用的保护涂层(例如低和高碳钢耐磨涂层，如
0.1-0.8碳重量百分比，以及含有其它的腐蚀和磨损保护的合金元素(如Cr、N1、Cu或类似物))的长期粘附力得到改善。在另外的优选形式中，通过本发明实现的表面活化如此完成，而不必采用例如前面所述的那些传统的机械活化方法。
[0006]根据本发明的另外的方面，公开了涂覆铝基基底的表面的方法。该方法包括:清洁表面以去除在其上形成的氧化物的至少一部分;操作第一等离子喷涂装置，使得由第一装置产生的预处理等离子射流撞击在清洁过的表面上;且然后操作第二等离子喷涂装置，使得引入其内的保护涂层材料前驱体撞击在已经由来自第一等离子喷涂装置的等离子射流预处理过的清洁表面上。以此方式，它们的表面以循序的方式暴露至第一和第二等离子喷涂装置。
[0007]根据本发明的再一方面，公开了涂覆发动机缸体的缸孔的方法。该方法包括:使用含有钾和氟中至少一种的溶液清洁表面;操作第一等离子喷涂装置，使得由第一装置产生的预处理空气等离子射流撞击至清洁过的表面上;及操作第二等离子喷涂装置，使得引入在第二装置中产生的等离子射流中的保护涂层材料前驱体撞击在预处理过的表面上。
[0008]根据本发明，有如下的其它的技术方案:
[0009]1、一种活化铝基发动机缸孔的表面基底以实现随后应用的保护涂层与基底之间更好的粘附的方法，所述方法包括:
[0010]清洁所述表面以去除在其上形成的氧化物的至少一部分；以及
[0011]操作等离子喷涂装置，使得所产生的空气等离子射流由此撞击在所述表面上。
[0012]2、如技术方案I所述的方法，其中，所述等离子喷涂装置限定预处理等离子喷涂装置，所述预处理等离子喷涂装置与用于在所述表面上沉积保护涂层的等离子喷涂装置是分开的。
[0013]3、如技术方案2所述的方法，其中，所述预处理等离子喷涂装置如此配置使得其不能将保护涂层材料前驱体接纳于其中。
[0014]4、如技术方案I所述的方法，其中，完成所述活化而不使所述表面经受单独的机械活化步骤。
[0015]5、如技术方案I所述的方法，其中，所述清洁包括将所述表面暴露至氟化钾溶液，使得在所述表面上形成包含钾、铝和氟的至少一种化合物。
[0016]6、如技术方案5所述的方法，其中，包含钾、铝和氟的所述至少一种化合物包括K3AIF6和KAIF4中至少一种ο
[0017]7、如技术方案I所述的方法，其中，所述清洁包括使所述表面暴露至酸溶液。
[0018]8、如技术方案7所述的方法，其中所述酸溶液包括硝酸。
[0019]9、如技术方案8所述的方法，其中，所述硝酸溶液进一步包括氢氟酸和氟化盐中的至少一种。
[0020]10、如技术方案9所述的方法，其进一步包括在每次暴露至所述硝酸溶液之后清洗所述表面。
[0021]11、如技术方案I所述的方法，